UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA. Introduzione alla programmazione

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Introduzione alla programmazione

2 Riferimenti Emanuele Goldoni Laboratorio Reti (MN) Tel Slide sul sito del corso Ricevimento Dalle 10:00 alle 11:00 (nei giorni dei seminari) Laboratorio di Telecomunicazioni (Pavia Facoltà di Ingegneria - Piano H) 2

3 Obiettivo dei seminari Fornire gli strumenti di base per riuscire ad affrontare i problemi in modo rigoroso e a tradurre gli stessi in programmi Introdurre un semplice linguaggio di programmazione Illustrare alcuni tra i più comuni algoritmi 3

4 Contenuti Introduzione alla programmazione Introduzione a Matlab Elementi del linguaggio di scripting di Matlab Utilizzo di Matlab in Ingegneria Algoritmi di ricerca Algoritmi di ordinamento Complessità degli algoritmi 4

5 Risolvere un problema Per risolvere un problema si procede innanzitutto all individuazione: Delle informazioni, dei dati (noti) Dei risultati (incogniti) desiderati Il secondo passo consiste nell individuazione di un procedimento adeguato Si scompone infine il procedimento con l individuazione delle operazioni necessarie per il calcolo di risultati intermedi 5

6 Dal problema al programma Per realizzare un programma che risolva un problema è necessario quindi: Individuare i dati in ingresso e in uscita Individuare un procedimento adeguato Scomporre il procedimento in una sequenza di azioni elementari ed univoche Per meglio affrontare l ultimo punto, si fa spesso ricorso ai diagrammi di flusso (o flow-chart) 6

7 Flusso di esecuzione (1) Il flusso di esecuzione può essere rappresentato graficamente con un diagramma di flusso Si sviluppa graficamente su due dimensioni Elimina le ambiguità utilizzando una logica di selezione ambivalente e linee di flusso univoche Si basa su pochi simboli E un linguaggio universale 7

8 Flusso di esecuzione (2) Innanzitutto un programma, e di conseguenza una sua rappresentazione grafica, deve sempre avere un inizio ed una fine Inizio Fine Tra l inizio e la fine vi deve sempre essere almeno una istruzione 8

9 Flusso di esecuzione (3) La risoluzione di un problema consiste nell esecuzione ordinata di una sequenza di operazioni L ordine nell esecuzione delle istruzioni è fondamentale Nei flow-chart è garantito dall orientamento delle frecce che collegano i blocchi 9

10 Flusso di esecuzione (4) A volte le azioni vanno eseguite sempre. In tal caso diciamo che si tratta di operazioni non condizionali Esecuzione (incondizionale) 10

11 Flusso di esecuzione (5) Possono essere presenti istruzioni condizionali, la cui esecuzione dipende cioè da scelte effettuate in base ai dati Concettualmente, possiamo immaginare che il flusso di esecuzione si ramifichi (in base ad una condizione decido se eseguire un operazione OPPURE un altra) V? F Diramazione (condizionale) 11

12 Algoritmi Per indicare la scomposizione del problema viene spesso utilizzato il termine algoritmo Insieme finito di istruzioni elementari univocamente interpretabili che, eseguite in un ordine stabilito, forniscono la soluzione di un problema in un numero finito di passi I flow-chart sono un linguaggio utile per descrivere gli algoritmi 12

13 Area del cerchio circoscritto (1) Determinare l area A del cerchio circoscritto ad un quadrato avente il lato di misura L Soluzione 1. diam = diag = L* sqrt(2) 2. raggio = diam / 2 3. A = Π * raggio * raggio 13

14 Area del cerchio circoscritto (2) Inizio L? DIAM = L* 2 RAGGIO = DIAM / 2 A = Π * RAGGIO 2 Fine 14

15 Ordinamento lista di numeri (1) Ordinare una lista di numeri dati Le operazioni disponibili Scambiare la posizione di due numeri Confrontare due numeri Annotare valore e posizione di un numero Soluzione: Scorro la lista, cerco il maggiore e lo sposto in fondo; ripeto quindi l operazione per trovare il penultimo e così via 15

16 Ordinamento lista di numeri (2) 1. Scorro la lista dalla prima posizione fino a n = ultima posizione 2. Segno valore e posizione del primo numero (posizione=1, valore= ) 3. Confronto il valore segnato con quello nella posizione 2 4. Se è maggiore di quello segnato, aggiorno valore e posizione 5. Ripeto i punti 3 e 4 per le posizioni 2, 3.. n etc fino a n 6. Diminuisco n di una unità 7. Se n è maggiore di due, torno al punto 2; altrimenti esco 16

17 Ordinamento lista di numeri (3) P = 1 V = P = 1 V = 14 5 > 14? NO P = 3 V = > 14? SI: aggiorno P e V P = 4 V = > 35? SI: aggiorno P e V 17

18 Ordinamento lista di numeri (4) Dopo tutti i confronti P = 4 V = 39 1 scambio e ricomincio P = 1 V = 14 Dopo il secondo giro di confronti P = 3 V = 35 2 scambio e ricomincio P = 1 V = 14 E così via... 18

19 Scelta dell algoritmo Alcune considerazioni utili Un algoritmo semplice può risultare meno efficace, specialmente in termini di velocità L efficienza può consentire un risparmio di risorse Non necessariamente un algoritmo furbo è più efficiente o affidabile La semplicità può facilitare la comprensione e la correzione 19

20 Linguaggi (1) Un linguaggio di programmazione è un linguaggio formale costituito da simboli (alfabeto), combinati in sequenze in base a regole precise (sintassi) e a cui viene associato un determinato significato (semantica) Le famiglie di linguaggi Linguaggi assembler Linguaggi funzionali Linguaggi imperativi (BASIC) Linguaggi a oggetti (Java) etc 20

21 Linguaggi (2) La macchina utilizza esclusivamente l alfabeto binario I linguaggi consentono quindi di descrivere le operazioni da far compiere al calcolatore in maniera più semplice E necessaria un operazione di traduzione dal linguaggio di programmazione al codice comprensibile dal calcolatore, effettuata per mezzo di opportuni programmi Questi traduttori si dividono in due categorie: compilatori e interpreti 21

22 Costrutti di programmazione Esistono alcuni costrutti di base tipici dei linguaggi di alto livello Qualsiasi algoritmo rappresentabile con un flow-chart strutturato può essere tradotto in un programma utilizzando appena tre strutture: Sequenza Selezione Iterazione 22

23 Selezione È un costrutto tipico, del tipo if (condizione) then fare A [else fare B end] condiz. A V F B Si usa per scegliere tra due alternative Il blocco else è opzionale 23

24 Iterazione (1) Per poter ripetere lo stesso gruppo di istruzioni più volte, è necessario utilizzare un altro costrutto: il ciclo (o loop) E necessario definire una condizione per stabilire quante volte ripetere il blocco di istruzioni Esistono due costrutti che utilizzano criteri duali per interrompere l iterazione 24

25 Iterazione (2) Un blocco può essere eseguito fintanto che una certa condizione è verificata ed interrompere l esecuzione non appena questa diventa falsa Se allo stato iniziale la condizione è falsa, le istruzioni non vengono mai eseguite Questo è detto ciclo ad ingresso controllato 25

26 Iterazione (2) Il costrutto while realizza un ciclo ad ingresso controllato while (condizione) fare A F condiz. A V 26

27 Iterazione (3) Un blocco può essere eseguito anche fino a quando non si verifica una condizione prestabilita Questo è detto ciclo ad uscita controllata In questo caso prima viene eseguita un iterazione e poi controllato il valore di verità della condizione 27

28 Iterazione (4) Il costrutto do-while (o repeat-until) realizza un ciclo ad uscita controllata do fare A while (condizione) A condiz. V F 28

29 Iterazione (5) Un terzo costrutto viene impiegato se è noto a priori il numero di iterazioni da eseguire: for (Val_iniziale; Cond; Incremento) fare A; Semplifica la scrittura e la semplicità dei programmi E una struttura ridondante È comunque riconducibile alle altre due viste in precedenza 29

30 Informazioni nel calcolatore I calcolatori utilizzano esclusivamente numeri, mentre il linguaggio (ed il cervello umano) gestisce più facilmente i nomi I linguaggi di programmazione permettono quindi di fare riferimento ai dati utilizzando dei nomi, detti variabili. Una variabile può essere vista come un contenitore avente un nome ed un contenuto Il nome variabile vuole enfatizzare il fatto che il contenuto può cambiare. 30

31 Metafora delle variabili 31

32 Tipi dato (1) Il contenuto di una variabile all interno del calcolatore è una sequenza di bit occorre determinare quale valore contiene la variabile, cioè come interpretare tali bit. I linguaggi di programmazione associano ad ogni variabile informazioni anche sul tipo di valore che essa contiene. L attribuzione di un significato particolare alla sequenza binaria è fatto attraverso il concetto di tipo di dato 32

33 Tipi dato (2) Un insieme minimo di tipi di dato che ci interessa risulta composto da: numeri interi numeri in virgola mobile caratteri La stringa può essere vista come una sequenza di caratteri Normalmente sono disponibili strumenti che consentono di convertire un dato da un tipo ad un altro 33

34 Vettori Una variabile contiene solo un dato mentre molti algoritmi gestiscono una serie di dati ordinati e dello stesso tipo. In questo caso si utilizzano i vettori, un insieme ordinato di variabili dello stesso tipo Per accedere ad un elemento specifico se ne indica la posizione Esempio: a = [1, 4, 33, 12, 42, 66] a(2) = 4, a(5) = 42 etc 34

35 Matrici È possibile estendere i vettori al caso bidimensionale per ottenere delle matrici ( vettore di vettori ) Per identificare un elemento se ne specifica la posizione (riga, colonna) Si può anche lavorare con vettori n- dimensionali Anche se possiamo aver difficoltà a visualizzarli, da un punto di vista formale non presentano difficoltà 35

36 Funzioni (1) Capita spesso che una parte dell algoritmo che si vuole implementare sia indipendente dall algoritmo specifico (cioè ha senso anche preso da solo) utilizzabile in più situazioni In questi casi è utile raggruppare il codice relativo in un unica entità, nota come funzione Una volta scritta la funzione, il codice che la compone può essere semplicemente chiamato (o invocato) quando necessario 36

37 Funzioni (2) Una funzione è caratterizzata da un nome un insieme di argomenti (dati sui quali la funzione opera) un tipo di dato restituito (la funzione è valutata e si ottiene un certo tipo di risultato) Conoscendo queste tre informazioni è possibile utilizzare una funzione senza necessità di conoscere l algoritmo o i calcoli effettuati all interno della funzione stessa Distinzione tra implementazione e interfaccia 37

38 Riferimenti N. Wirth, Algoritmi + Strutture dati = Programmi, 1987 G. Cupini et al., Corso di Informatica, 1987 D. Knuth, The Art of Computer Programming, 1970s 38